直線(xiàn)電機的歷史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略現雛形的直線(xiàn)電機，其后的160多年中直線(xiàn)電機經(jīng)歷了探索實(shí)驗、開(kāi)發(fā)應用和使用商品化三個(gè)時(shí)期。

  1971年至目前，直線(xiàn)電機終于進(jìn)入獨立應用的時(shí)期，各類(lèi)直線(xiàn)電機的應用得到了迅速的推廣，制成了許多有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，例如直線(xiàn)電機驅動(dòng)的鋼管輸送機、運煤機、各種電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗等。利用直線(xiàn)電機驅動(dòng)的磁懸浮列車(chē)，速度已超過(guò)500km/h，接近了航空飛行的速度。

  我國的直線(xiàn)電機的研究和應用是從20世紀70年代初開(kāi)始的。目前主要成果有工廠(chǎng)行車(chē)、電磁錘、沖壓機等。我國直線(xiàn)電機研究雖然也取得了一些成績(jì)，但與國外相比，其推廣應用方面尚存在很大的差距。目前，國內不少研究單位已注意到這一點(diǎn)。

  直線(xiàn)電機在數控機床上應用的現狀

  近幾年，國際上對數控機床采用直線(xiàn)電機顯得特別熱門(mén)，其原因是：

  為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速和超高速加工現已成為機床發(fā)展的一個(gè)重大趨勢，一個(gè)反應靈敏、高速、輕便的驅動(dòng)系統，速度要提高到40～50m/min以上。傳統的“旋轉電機+滾珠絲杠”的傳動(dòng)形式所能達到的最高進(jìn)給速度為30m/min，加速度僅為3m/s2。直線(xiàn)電機驅動(dòng)工作臺，其速度是傳統傳動(dòng)方式的30倍，加速度是傳統傳動(dòng)方式的10倍，最大可達10g；剛度提高了7倍；直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)的工作臺無(wú)反向工作死區；由于電機慣量小，所以由其構成的直線(xiàn)伺服系統可以達到較高的頻率響應。

  1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上第一個(gè)由直線(xiàn)電機驅動(dòng)的工作臺HSC-240型高速加工中心，機床主軸最高速達到24000r/min，最大進(jìn)給速度為60n/min，加速度達到1g，當進(jìn)給速度為20m/min時(shí)，其輪廓精度可達0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著(zhù)推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉速為20000r/min，最大進(jìn)給速度為75.20m/min。

  1996年開(kāi)始，日本相繼研制成功采用直線(xiàn)電機的臥式加工中心、高速機床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機床、高速成形機床等[1]。

  我國浙江大學(xué)研制了一種由直線(xiàn)電機驅動(dòng)的沖壓機，浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設計了用圓筒型直線(xiàn)電機驅動(dòng)的并聯(lián)機構坐標測量機[2]。2001年南京四開(kāi)公司推出了自行開(kāi)發(fā)的采用直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)的數控直線(xiàn)電機車(chē)床，2003年第8屆中國國際機床展覽會(huì )上，展出北京電院高技術(shù)股份公司推出的VS1250直線(xiàn)電機取得的加工中心，該機床主軸最高轉速達15000r/min。

  直線(xiàn)電機的工作原理

  直線(xiàn)電機是一種將電能直接轉換成直線(xiàn)運動(dòng)機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成，如圖１所示。

圖1直線(xiàn)電機的轉變過(guò)程

  由定子演變而來(lái)的一側稱(chēng)為初級，由轉子演變而來(lái)的一側稱(chēng)為次級。在實(shí)際應用時(shí)，將初級和次級制造成不同的長(cháng)度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線(xiàn)電機可以是短初級長(cháng)次級，也可以是長(cháng)初級短次級?？紤]到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長(cháng)次級。

  直線(xiàn)電動(dòng)機的工作原理與旋轉電動(dòng)機相似。以直線(xiàn)感應電動(dòng)機為例：當初級繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，次級在行波磁場(chǎng)切割下，將感應出電動(dòng)勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線(xiàn)運動(dòng)；反之，則初級做直線(xiàn)運動(dòng)。

  直線(xiàn)電機的驅動(dòng)控制技術(shù)

  一個(gè)直線(xiàn)電機應用系統不僅要有性能良好的直線(xiàn)電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實(shí)現技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統。隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展，直線(xiàn)電機的控制方法越來(lái)越多。對直線(xiàn)電機控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)方面：一是傳統控制技術(shù)，二是現代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。

  傳統的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去、現在和未來(lái)的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動(dòng)系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。

  在對象模型確定、不變化且是線(xiàn)性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統控制技術(shù)是簡(jiǎn)單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線(xiàn)性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因數，才能得到滿(mǎn)意的控制效果。因此，現代控制技術(shù)在直線(xiàn)伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。

  近年來(lái)模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等智能控制方法也被引入直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)系統的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長(cháng)補短，以獲得更好的控制性能。

直線(xiàn)電機在數控機床中的應用實(shí)例

  活塞車(chē)削數控系統

  采用直線(xiàn)電機的直線(xiàn)運動(dòng)機構由于具有響應快、精度高的特點(diǎn)，已成功地應用于異型截面工件的CNC車(chē)削和磨削加工中。針對產(chǎn)量最大的非圓截面零件，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)非圓切削研究中心開(kāi)發(fā)了基于直線(xiàn)電機的高頻響大行程數控進(jìn)給單元。當用于數控活塞機床時(shí)，工作臺尺寸為600mm×320mm，行程100mm，最大推力為160N，最大加速度可達13g。由于直線(xiàn)電機動(dòng)子和工作臺已固定在一起，所以只能采用閉環(huán)控制，圖2所示為該單元的控制系統簡(jiǎn)圖。

圖2 直線(xiàn)電機位置控制器的原理框圖

  這是一個(gè)雙閉環(huán)系統，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統的機械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。

  采用直線(xiàn)電機的開(kāi)放式數控系統

  采用PC機與開(kāi)放式可編程運功控制器構成數控系統，這種系統以通用微機及Windows為平臺，以PC機上的標準插件形式的運動(dòng)控制器為控制核心，實(shí)現了數控系統的開(kāi)放?；谥本€(xiàn)電機的開(kāi)放式數控系統的總體設計方案如圖3所示。

圖3基于直線(xiàn)電機的開(kāi)放式數控系統原理圖

  該系統采用在PC機的擴展槽中插入運動(dòng)控制卡的方案組成，系統由PC機、運動(dòng)控制卡、伺服驅動(dòng)器、直線(xiàn)電機、數控工作臺等部分組成。數控工作臺由直線(xiàn)電機驅動(dòng)，伺服控制和機床邏輯控制均由運動(dòng)控制器完成，運動(dòng)控制器可編程，以運動(dòng)子程序的方式解釋執行數控程序（G代碼等，支持用戶(hù)擴展）。運動(dòng)控制卡型號為PCI-8132。

  當今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線(xiàn)漸漸地取代了ISA總線(xiàn)，成為主流總線(xiàn)形式，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等。PCI總線(xiàn)具有嚴格的標準和規范，這就保證了它具有良好的兼容性，可靠性高；傳送數據速率高（132Mbps）或(264Mbps); PCI總線(xiàn)與CPU無(wú)關(guān)，與時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)，適用于各種平臺，支持多處理器和并行工作；PCI總線(xiàn)還具有良好的擴展性，通過(guò)PCI_PCI橋路，可進(jìn)行多級擴展。PCI總線(xiàn)為用戶(hù)提供了極大的方便，是目前PC機上最先進(jìn)、最通用的一種總線(xiàn)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運動(dòng)控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅動(dòng)步進(jìn)電機和伺服電機，控制2個(gè)軸的電機運動(dòng)，實(shí)現直線(xiàn)和圓弧插補。在數控加工中，提供位置反饋。

  系統軟件在WINDOWS平臺上開(kāi)發(fā)。該軟件采用模塊化程序設計，由用戶(hù)輸入輸出界面、預處理模塊等組成。用戶(hù)輸入輸出界面實(shí)現用戶(hù)的輸入、系統的輸出。用戶(hù)輸入的主要功能是讓用戶(hù)輸入數控代碼，發(fā)出控制命令，進(jìn)行系統的參數配置，生成數控機床零件加工程序（G代碼指令）。預處理模塊讀取G代碼指令后，通過(guò)編譯生成能夠讓PCI－8132運動(dòng)控制卡運行的程序，從而驅動(dòng)直線(xiàn)電機，完成直線(xiàn)或圓弧插補。讀取G代碼的過(guò)程是首先進(jìn)行參數的設定，然后讀取G代碼，該程序流程如下如圖4所示。

圖4讀取G代碼程序流程圖

  在這一系統中選用PARKER406LXR系列直線(xiàn)電機。對于兩坐標數控工作臺，X向選用406T07型直線(xiàn)電機，行程550mm，Y向選用406T05型直線(xiàn)電機，行程450mm。

結語(yǔ)

  采用直線(xiàn)伺服電機的高速加工中心，已成為國際上各大機床制造商競相研究和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，并已在汽車(chē)工業(yè)和航空工業(yè)中取得初步應用和成效，作為高速加工中心的新一代直接驅動(dòng)伺服執行元件，直線(xiàn)伺服電機技術(shù)在國內外也已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應用階段。但是，國內在這方面的研究仍處于起步階段，差距還很大，本文在直線(xiàn)電機的應用方面作了一些探討，許多技術(shù)問(wèn)題還有待于今后的努力。